在《太阳能集热器热性能试验方法》GB/T 4271的基础上,结合对两台不同类型的中温真空管型太阳能集热器的测试数据,提出了中温太阳能集热器的热性能测试方法的建议,给出了中温太阳能集热器的热性能结果表达方式,可以用于指导中温太阳能集热器热性能的测试。 Based on Chinese national standard “Test methods for the thermal performance of solar collectors GB/T4271” and test results from two different types of medium temperature solar collector, the test method for the thermal performance of medium temperature solar collector was suggested, and the expression for the thermal performance of medium temperature solar collector was given. The method will guide the thermal performance test for medium temperature solar collector.
张磊,王聪辉,李博佳,王敏,何涛,张昕宇*,郑瑞澄
中国建筑科学研究院国家太阳能热水器质量监督检验中心(北京),北京
收稿日期:2016年12月8日;录用日期:2016年12月25日;发布日期:2016年12月28日
在《太阳能集热器热性能试验方法》GB/T 4271的基础上,结合对两台不同类型的中温真空管型太阳能集热器的测试数据,提出了中温太阳能集热器的热性能测试方法的建议,给出了中温太阳能集热器的热性能结果表达方式,可以用于指导中温太阳能集热器热性能的测试。
关键词 :中温太阳能集热器,热性能
随着我国太阳能热利用产业的快速发展,太阳能热利用已经由低温应用向中高温领域拓展。目前,已有不少企业和科研单位在研究开发、生产工作温度在100℃以上的中温太阳能集热器,并且已经有相当数量的中温太阳能集热器应用在空调、工业系统工程中。中温太阳能集热器的热性能与系统的性能密切相关,因此评价中温太阳能集热器热性能就显得非常重要。目前国内关于太阳能集热器热性能测试所用的标准为《太阳能集热器热性能试验方法》GB/T 4271 [
太阳能集热器瞬时效率是指在稳态条件下,特定时间间隔内由传热工质从特定的集热器面积上带走的能量与同一时间间隔内入射在该集热器面积上的太阳能之比,亦即集热器实际获得的有用功率与集热器接收的太阳辐射功率之比。
实际获得的有用功率
式中,
法向入射时,集热器接收的太阳太阳辐射功率
式中,
由此,太阳能集热器瞬时效率
根据公式(1)~(3),为了确定太阳能集热器的效率,需要对集热器面积,集热器采光面总辐照度,散射辐照度,集热器周围空气的温度和风速,传热工质流量和集热器出口温度进行测量。
GB/T 4271 [
1) 总辐照度
2) 集热器周围空气风速的准确度应为±0.5 m/s。测试期间,集热器周围的环境平均风速应小于4 m/s。
3) 传热工质的流量应根据集热器面积设定在0.02 kg/(m2∙s)左右。在每个测试周期内,流量应稳定在设定值的±1%以内。不同测试周期的流量变化应不超过设定值的±10%。测试周期的概念见2.2.2。
4) 最低进口温度控制在与环境温度之差在±3 K以内,最高进口温度设定在70℃ (平板型太阳能集热器)和80℃ (真空管型太阳能集热器),中间两个进口温度均匀地取在上述低温与高温之间。
GB/T 4271 [
对于测试用传感器的要求如下:
1) 采用ISO 9060 [
2) 环境空气风速的测量准确度应为±0.5 m/s。
3) 测量工质流量的准确度应为±1%。
4) 测量集热器周围空气温度和集热器进、出口传热工质温度的准确度应为±0.1℃。
根据GB/T 4271 [
在集热器的正常工作温度范围内,平板型太阳能集热器和真空管型太阳能集热器最低点进口温度取在与环境温度之差在±3 K以内,平板型太阳能集热器最高进口温度设定在70℃左右,真空管型太阳能集热器最高进口温度应高于环境温度40℃。中间的两个工质进口温度均匀地取在上述低温与高温之间。中温太阳能集热器的工作温度均在100℃以上,其最高温度工作温度的选取应为集热器制造厂商的明示的最高工作温度。
GB/T 4271 [
参数 | 平均值允许偏离范围 |
---|---|
太阳辐照度 环境空气温度 环境风速 工质质量流量 集热器进、出口工质温度 | ±50 W/m2 ±1 K <4 m/s ±1% ±0.1℃ |
表1. 试验周期内测量参数的允许偏离范围
在GB/T 4271 [
以归一化温差
一次拟合:
或二次拟合:
式中,
当使用集热器进口温度
当使用传热工质平均温度tm时,归一化温差
式中,
在《平板型太阳能集热器》GB/T 6424-2007 [
因为稳态测试方法对于实验过程中天气条件要求比较高,因此在EN 12975-2:2006 [
从表2可以看出,动态测试对太阳辐照度的限制大大放宽,对总辐照度的偏差和散射辐射占总辐射比例均没有限制。而且整个测试过程至少要满足4个典型日(1天晴朗、1天多云和2天多云间晴)的气象条件才能完成。
动态法太阳能集热器的瞬时效率方程公式为:
集热器类型 | 技术要求 |
---|---|
平板型太阳能集热器 | |
真空管型太阳能集热器 | 无反射器: |
表2. 太阳能集热器热性能的技术要求
参数 | 稳态测试 | 动态测试 | ||
---|---|---|---|---|
条件 | 偏差范围 | 条件 | 范围 | |
太阳总辐照度 散射辐射的比例 环境温度 环境风速 集热器进口温度 工质流量 | >700 W/m2 <30% × <4 m/s 测试要求温度 0.02 kg/(s∙m2) | ±50 W/m2 × ±1 K × ±0.1 K ±1% | >300 W/m2 × × × 测试要求温度 0.02 kg/(s∙m2) | × × × × ±1 K ±1% |
表3. 动态测试和稳态测试的试验条件要求对比
×——表示对此项无特殊要求。
式中,
根据国家太阳能热水器质量监督检验中心(北京)的多年测试经验,要满足动态的测试条件,周期大约2~3个月,而采用稳态测试法,一个晴朗的天气即可完成一台太阳能集热器的热性能测试实验。
国家太阳能热水器质量监督检验中心(北京)的研究成果 [
选取热管式真空管型中温太阳能集热器和U形管式真空管型中温太阳能集热器作为研究对象。
选择的热管式真空管型中温太阳能集热器规格为Φ100 × 2000 × 6,集热器采光面积为1.20 m2,集热器总面积为1.58 m2。
该集热器共测试8个工况,其中1~5工况满足GB/T 4271 [
按照GB/T 4271 [
一次拟合效率方程为:
二次拟合效率方程为:
将测试工况点带入方程9和10,并与实测值进行比较,得到图2。
从图1和图2可以看出,按照GB/T 4271标准规定工况计算,一次拟合和二次拟合效率曲线拟合程度R2均较好,两种拟合方法集热效率计算值与实测值偏差较小,可以准确的表达中温太阳能集热器热性能。
对全部测试数据,分别使用一次拟合和二次拟合方法得出太阳能集热器的热性能效率曲线,如图3所示。
一次拟合效率方程为:
二次拟合效率方程为:
将测试工况点带入方程11和12,并与实测值进行比较,得到图4。
图1. 按GB/T 4271规定工况拟合热管式真空管型太阳能集热器效率曲线图
图2. 按GB/T 4271规定工况计算热管式真空管型太阳能集热器效率偏差
图3. 热管式真空管型中温太阳能集热器曲线图
图4. 热管式真空管型中温太阳能集热器效率与测试值偏差
从图3和图4可以看出,二次拟合效率曲线的拟合程度R2大于一次拟合曲线,一次拟合的计算结果与实测值偏差最大为9.5%,二次拟合的计算结果与实测值的最大偏差为6.7%,明显小于一次拟合计算结果予实测值的偏差,以上分析表明,对于热管式真空管型中温太阳能集热器应采用二次拟合的处理方法来获得中温太阳能集热器热性能效率曲线。
选择的U形管式真空管型中温太阳能集热器规格为Φ58 × 1800 × 16,集热器采光面积为1.58 m2,集热器总面积为2.20 m2。
该集热器共测试8个工况,其中1~4工况满足GB/T 4271 [
按照GB/T 4271 [
一次拟合效率方程为:
二次拟合效率方程为:
将测试工况点带入方程13和14,并与实测值进行比较,得到图6。
从图5和图6可以看出,按照GB/T 4271标准规定工况计算,一次拟合和二次拟合效率曲线拟合程度R2均为1,两种拟合方法计算值与实测值偏差较小,在GB/T 4271 [
对全部测试数据,分别使用一次拟合和二次拟合方法得出太阳能集热器的热性能效率曲线,如图7所示。
一次拟合效率方程为:
二次拟合效率方程为:
将测试工况点带入方程15和16,并与实测值进行比较,得到图8。
从图7和图8可以看出,二次拟合效率曲线的拟合程度R2大于一次拟合曲线,一次拟合的计算结果与实测值最大偏差为9.1%,二次拟合的计算结果与实测值的最大偏差为3.9%,明显小于一次拟合偏差,以上分析表明,对于U形管式真空管型中温太阳能集热器应采用二次拟合的方法来获得中温太阳能集热器热性能效率曲线。
通过以上的实验数据分析表明,在GB/T 4271 [
1) 中温太阳能集热器测试至少五个工况,其中测试进口温度大于100℃的工况应不少于两个;
2) 采用二次拟合的方式对中温集热器的热效率测试值进行拟合。
图5. 按GB/T 4271规定工况拟合的U形管真空管型中温太阳能集热器效率曲线图
图6. 按GB/T 4271规定工况计算U形管真空管型中温太阳能集热器效率偏差
图7. U形管式真空管型中温太阳能集热器曲线图
图8. U形管式真空管型中温太阳能集热器效率与测试值偏差
本次试验的对象是热管式真空管型中温太阳能集热器和U形管真空管型中温太阳能集热器,是否适用于其他类型的中温太阳能集热器还需要进一步验证。
本文的研究内容受到了国家重点研发计划课题“藏区和西北高原地区太阳能供暖应用技术研究”(2016YFC0700405)的资助,同时对国家太阳能热水器质量监督检验中心(北京)黄祝连,邓昱等人的辛勤工作表示感谢。
张 磊,王聪辉,李博佳,王 敏,何 涛,张昕宇,郑瑞澄. 中温太阳能集热器热性能测试方法研究 Test Method for the Thermal Performance of Medium Temperature Solar Collector[J]. 可持续能源, 2016, 06(06): 112-121. http://dx.doi.org/10.12677/SE.2016.66012